低溫等離子體在廢氣處理中的應(yīng)用

楊付輝

摘要：為了提高居民生活環(huán)境質(zhì)量、杜絕空氣污染隱患，異味惡臭源的控制處理已成為目前一些地區(qū)亟待解決的環(huán)境問題。文章對低溫等離子體在廢氣處理中的應(yīng)用進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體；廢氣處理；應(yīng)用

等離子體化學(xué)是涉及高能物理、放電物理、放電化學(xué)、反應(yīng)工程學(xué)、高壓脈沖技術(shù)等領(lǐng)域的一門交叉學(xué)科。將等離子體用于處理各類污染物成為國內(nèi)外研究的熱門之一。與其他污染治理技術(shù)相比，等離子體法具有處理流程短、效率高、能耗低、適用范圍廣等特點(diǎn)。等離子體既可用于處理廢氣又可用于處理廢水、固體廢物、污泥、甚至放射性廢物。

一、低溫等離子體分解氣態(tài)污染物的機(jī)理

采用低溫等離子體分解氣體污染物時(shí)，等離子體中的高能電子起決定性的作用。數(shù)萬度的高能電子與氣體分子（原子）發(fā)生非彈性碰撞，將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子（原子）的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解、電離等一系列過程使氣體處于活化狀態(tài)。電子能量較低（<10ev）時(shí)，產(chǎn)生活性自由基，活化后的污染物分子經(jīng)過等離子體定向鏈化學(xué)反應(yīng)后被脫除。當(dāng)電子平均能量超過污染物分子化學(xué)鍵結(jié)合能時(shí)，分子鍵斷裂，污染物分解。在低溫等離子體中，可能發(fā)生各種類型的化學(xué)反應(yīng)，這主要取決于電子的平均能量、電子密度、氣體溫度、污染物氣體分子濃度及共存的氣體成分。

二、常用的廢氣處理技術(shù)

目前國內(nèi)外用于處理異味惡臭的廢氣有多種技術(shù)，其中常用的技術(shù)為燃燒法、氧化法、吸收法、吸附法、生物法、光催化法、等離子體法等。其中吸收法的凈化效率不高，消耗吸收劑，易形成二次污染；低溫等離子體法的適用范圍廣、凈化效率高，尤其適用于其它方法難以處理的多組分異味惡臭氣體，但一次性投資較高；吸附法的吸附劑費(fèi)用昂貴，再生較困難，要求待處理的異味惡臭氣體有較低的溫度和含塵量；生物法的占地面積大，填料需定期更換，脫臭過程不易控制，運(yùn)行一段時(shí)間后容易出現(xiàn)問題，對疏水性和難生物降解的物質(zhì)處理還存在較大難度。

三、DDBD低溫等離子體技術(shù)

DDBD低溫等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)。低溫等離子體降解污染物是利用高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)的各種反應(yīng)以達(dá)到降解污染物的目的。

1、DDBD低溫等離子體去除污染物的機(jī)理

介質(zhì)阻擋放電是一種獲得高氣壓下低溫等離子體的放電方法，這種放電產(chǎn)生于兩個(gè)電極之間。介質(zhì)阻擋放電可以在0.1×105～10×105Pa下進(jìn)行，具有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行等特點(diǎn)。整個(gè)放電過程由許多在空間和時(shí)間上隨機(jī)分布的微放電構(gòu)成，這些微放電的持續(xù)時(shí)間很短，一般在10ns量級。見圖1所示。

介質(zhì)阻擋放電過程中，電子從電場中獲得能量，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)化為污染物分子的內(nèi)能或動能，這些獲得能量的分子被激發(fā)或發(fā)生電離形成活性基團(tuán)，同時(shí)空氣中的氧氣和水分在高能電子的作用下也產(chǎn)生大量的新生態(tài)氫、臭氧和羥基氧等活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)相互碰撞后便引發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)。從低溫等離子體的活性基團(tuán)組成可以看出，低溫等離子體內(nèi)部富含極高化學(xué)活性的粒子，如電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等。廢氣中的污染物質(zhì)與這些具有較高能量的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為無二次污染的CO2和H2O等物質(zhì)，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。

低溫等離子體化學(xué)反應(yīng)的過程大致如下：

從上述反應(yīng)過程可以看出，電子先從電場獲得能量，通過激發(fā)或電離將能量轉(zhuǎn)移到污染物分子中去，獲得能量的污染物分子被激發(fā)，部分分子被電離，從而成為活性基團(tuán)。然后這些活性基團(tuán)與氧氣、活性基團(tuán)與活性基團(tuán)之間相互碰撞后生成穩(wěn)定產(chǎn)物和熱。另外，高能電子也能被鹵素和氧氣等電子親和力較強(qiáng)的物質(zhì)俘獲，成為負(fù)離子。這類負(fù)離子具有很好的化學(xué)活性，在化學(xué)反應(yīng)中起著重要的作用。

2、DDBD低溫等離子體技術(shù)的特點(diǎn)

低溫等離子體裂解氧化廢氣處理技術(shù)具有能耗低（處理相同氣量的廢氣能耗降低2/3）、處理廢氣量大、無需對發(fā)生管進(jìn)行沖洗等優(yōu)點(diǎn)。低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用于異味惡臭氣體治理，處理效果好（幾乎可以處理目前常見的各種異味惡臭氣體）；運(yùn)行費(fèi)用低廉（每立方米氣量運(yùn)行費(fèi)用僅為1～5分）；運(yùn)行穩(wěn)定、操作管理簡便，即開即用。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于石油化工、制藥、食品、污水處理、涂料、皮革加工、感光材料、汽車制造、稀土等諸多行業(yè)有機(jī)廢氣的治理以及采用其它方法很難解決的廢氣的治理。

四、案例分析

1、項(xiàng)目概況

山東某制藥有限公司污水站異味氣體主要來源于特高調(diào)節(jié)池、兼氧池等工藝段散發(fā)的異味氣體，主要污染因子包括：硫化氫、亞硫酸、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、氨以及吲哚、有機(jī)酸等其它有機(jī)廢氣，總廢氣量為3500m3/h。

2、廢氣處理工藝介紹

對比目前的廢氣處理方法，針對廢氣中污染物的特性，考慮處理效果及工程投資的前提，確定該廢氣工程適合選擇“低溫等離子體裂解氧化廢氣處理工藝”。廢氣首先進(jìn)行溶劑吸收，再經(jīng)現(xiàn)有的預(yù)處理系統(tǒng)處理，預(yù)處理后的氣體通過氣體分配器均布后進(jìn)入低溫等離子體反應(yīng)器，以使每個(gè)低溫等離子體反應(yīng)管中通過的氣體量大致相等，同時(shí)也使來自不同工段的廢氣進(jìn)行充分混合，達(dá)到均質(zhì)目的（見圖2）。

3、廢氣處理前后對比

低溫等離子體氧化反應(yīng)器正常運(yùn)行后，由第三方PONY譜尼測試集團(tuán)廢氣檢測，檢測參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。處理后廢氣中污染物的成分見表2。

表2低溫等離子處理前后廢氣成分對照表

4、處理效果及費(fèi)用

采用“DDBD低溫等離子體技術(shù)+催化氧化技術(shù)”工藝處理該項(xiàng)目廢氣，異味去除率>99%。處理廢氣量3500m3/h，電耗0.003kW/Nm3，即處理1m3廢氣的費(fèi)用僅為0.013元。